（微电子学与固体电子学专业论文）基于pwm控制的多细分步进电机驱动芯片的设计.pdf

摘要 摘要 步进电机是一种将脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的控制电机，它 能够在不涉及复杂反馈环路的情况下实现良好的定位精度，并由于具有价格低 廉、易于控制、无积累误差等优点，在民用、工业用的经济型数控定位系统中获 得了广泛的应用，具有较高的实用价值。 在步进电机的驱动技术中，细分驱动具有良好的控制效果，而将步进电机 细分驱动控制电路集成在一块芯片中，可以使得步进电机在实现细分驱动，得 到优良运行性能的同时，整个驱动电路系统的组成更为简单，可靠性更高，控 制更为方便。本文在详细论述了步进电机细分驱动原理的基础上，设计了一款 基于p w m 控制的两相混合式步进电机细分驱动芯片。 本文首先介绍了步进电机工作原理和p w m 控制技术，通过分析步进电机的 各种驱动方式的优缺点，从而提出了细分驱动方式，并指出了细分驱动使电机 运行更稳定的优势，在分析、比较几种电流控制型细分驱动方式的优缺点的基 础上，提出了恒频脉宽调制型的细分驱动方案，并分析了该方案快慢续流的优 劣，进而完成对二相混合式步进电动机细分驱动系统主电路的具体设计，包括 高精度b a n d g a p 电路、高速d 触发器、脉冲发生器及逻辑控制电路等子电路， 并且加入了过温、欠压及过流保护电路。实现了恒频斩波、信号检测、功率放 大、环形分配等功能。其中，由e p r o m 以及3 位非线性d a c 产生的拟正弦波 变化的阶梯电平作为控制电机绕组电流的基准，通过p w m 控制驱动器的开通和 关断，使电机绕组电流按正弦规律变化，从而实现两相混合式步进电机的恒转 矩8 细分驱动。 通过仿真证明了设计方案的可行性和正确性，所设计的基于p w m 控制的步 进电机细分驱动控制电路可以实现结构简单、可靠性高、运行平稳的预定目标。 关键词：步进电机细分驱动p w mh 桥驱动 a b s t r a c t a b s t r a c t s t e p p i n gm o t o ri sak i n do fc o n t r o l l i n gm o t o r sw h i c h c a l lt r a n s f o r mt h ep u l s e s i g n a li n t om e c h a n i s t i ca n g u l a rd i s p l a c e m e n to rl i n e a rd i s p l a c e m e n t i tc a l la c h i e v ea p r e c i s el o c a t i o nw i t h o u tac o m p l i c a t e df e e d b a c kl o o p a l s o ，i ti sw i d e l yu s e di n e c o n o m i c a ld i g i t a ll o c a t i o ns y s t e mf o rc i v i l i a na n di n d u s t r yu s e ，弱i tc o s t sl e s s ，e a s y t oc o n t r o la n df r e eo fe r r o ra c c u m u l a t i o n i naw o r d ，i ti sh i g h l yp r a c t i c a l s i n c em i c r o s t e p p i n gd r i v eb e h a v e sb e t t e ri nc o n t r o l l i n ga m o n gd r i v et e c h n i q u e o fs t e p p i n gm o t o li n t e g r a t e dm i c r o s t e p p i n gd r i v e ro fs t e p p i n gm o t o rm a k e sd r i v e c i r c u i ts i m p l e ri ns t r u c t u r e ，h i g h e ri ns e c u r i t ya n dm o r ec o n v e n i e n ti nc o n t r o l l i n ga s w e l la st h em i c r o s t e p p i n gd r i v ei sr e a l i z e d 、析t he x c e l l e n tp e r f o r m a n c e t h et h e s i s e x p a t i a t e so nt h ep r i n c i p l eo fs t e p p i n gm o t o rm i c r o s t e p p i n gd r i v ea n ds c h e m e so u ta t w o - p h a s eh y b r i ds t e p p i n gm o t o rm i c r o s t e p p i n gd r i v e ri cb a s e do np w m i nt h i sp a p e r ，f i r s t l yt h ep r i n c i p l e so fs t e p p i n gm o t o ra n dt h et e c h n i q u eo fp w m c o n t r o l l i n ga r ea n a l y z e d ， a n dt h e nd i f f e r e n td r i v i n gm o d e sa r ei n t r o d u c e d b a s e do n t h i s ，m i c r o s t e p p i n gd r i v i n gm o d ea r ep u tf o r w a r d ，a n dl e a r n i n gf r o mt h ec u r r e n t l a g g i n g l o o pc o n t r o la n di n v a r i a b l es w i t c hf r e q u e n c yc o n t r o l ，f r e q u e n c y - f i x i n gp w m d r i v i n gm e t h o di sp u tf o r w a r d ，t h e r e f o r e ，t h em a i nc i r c u i to f2 - p h a s eh y b r i ds t e p p i n g m o t o rs y s t e mi sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gh i g ha c c u r a c yb a n d g a pc i r c u i t s h i g hs p e e d d f l i p f l o p 、p u l s eg e n e r a t o r 、l o g i cc i r c u i t sa n ds oo n , a n da l s oo v e r - t e m p e r a t u r e c i r c u i t s ，u v l oc i r c u i t s ，o v e r - c u r r e n tc i r c u i t sa r ea d d e d t h es y s t e mc a i lr e a l i z em a n y f u n c t i o n ss u c ha sf i x f r e q u e n c yp l u sw i d t hm o d u l a t i o n , c u r r e n ts a m p l i n g ，p o w e r m a g n i f y i n g ，r i n gd i s t r i b u t i o n ，p r o d u c i n gc o n t r o ls i g n a l ，a n d s oo n b a s e do nt h e p r i n c i p l ea n a l y s i so fs u b d i v i s i o nd r i v eo ft w o p h a s eh y b r i ds t e p p i n gm o t o r ，u s e st h e s i m u l a n ts i n u s o i dl a d d e rv o l t a g et h a tp r o d u c e dw i t he p r o ma n d3 - b i tn o n l i n e a r d a ca st h er e f e r e n c ec u r r e n to fw i n d i n go fs t e p p i n gm o t o r , m a k e st h ec u r r e n to f w i n d i n go fs t e p p i n gm o t o rt ov a r ya l s oa ss i n u s o i db yc o n t r o l l i n gt h eo no ro f f t i m eo f d r i v e rw i t hp w m ，a c h i e v e st h ec o n s t a n t - t o r q u e8s u b d i v i s i o nd r i v eo fs t e p p i n gm o t o r t h ed e s i g no ft h i si cw a sc o m p l e t e di na c c o r d a n c ew i t ht h ed e s i g nf l o wo fa s i c t h e t h e s i se x p a t i a t e so nt h em o d u l ec i r c u i to ft h ei ca n dp r e s e n t st h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h ed e s i g nm e t h o da n dp r i n c i p l ea n a l y s i sw e r e p r o v e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n dt h em i c r o s t e p p i n gd r i v e ri co fs t e p p i n gm o t o r u a b s t r a c t b a s e do np w mi nt h et h e s i sc a nr e a c ht h et a r g e tt h a th a ss i m p l ec o n f i g u r a t i o n 、h i g h r e l i a b i l i t ya n ds m o o t ho p e r a t i o n k e yw o r d s ：s t e p p i n gm o t o rm i c r o s t e p p i n gd r i v e p w mh b r i d g ed r i v e r i l l 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了锯南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对夕卜进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 2 0 年月日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 姓名学号 答辩日期年月日 论文类别博士口学历硕士口硕士专业学位口高校教师口 同等学力硕士口 院系所专业 联系电话 e m a i l 通信地址( 邮编) ： 备注： 是否批准为非公开论文 注：本授权书适用我校授子的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第一章绪论 第一章绪论 步进电机是一种将脉冲信号转化为机械角位移或者线位移的控制电机，与 其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中 获得了广泛的应用。步进电机细分驱动技术是七十年代中期发展起来的一种可 以显著改善步进电机综合使用性能的驱动控制技术n 1 。它是通过控制各相绕组 中的电流，使它们按一定的规律上升或下降，即在零电流到最大电流之间形成 多个稳定的中间电流状态，相应的合成磁场矢量的方向也将存在多个稳定的中 间状态，且按细分步距旋转。其中合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力 矩的大小，合成磁场矢量的方向决定了细分后步距角的大小。细分驱动技术进 一步提高了步进电机转角精度和运行平稳性。 第一节步进电机概述 基于电机的运动控制技术作为自动化领域的关键部分，在国民经济当中起 着重要的作用。随着现代科学技术的进步，尤其是集成电路、电力电子器件、 自动化控制理论等方面的进展，电机在其实际应用中已由过去简单地控制转动 停止、以提供动力为目的应用上升到对速度、加速度、位移和转矩等进行精确 控制阶段，以便使被驱动的机械运动准确符合预想的要求。 步进电机正好能够很好地符合这种需求，它是一种将数字脉冲信号转化为 机械角位移或者线位移的数模转换控制电机。通常所说的步进电机一般是指机 电一体化设备包括步进电机及其驱动器，当步进电机驱动器接受到一个脉冲之 后就驱动步进电机转动一个固定的角度即步距角 2 1 如图1 1 所示。 i _ 图1 1 步迸电机的功用 第一章绪论 步进电机不像其它电机那样连续旋转而是以一定的步距角一步一步做增量 运动因此而得名。所以通过控制脉冲个数来控制步进电机转动的角位移，达到 精确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲的频率来控制步进电机转动速度和 加速度，达到调速的目的。除此之外步进电机还具有以下一些优点佗3 1 1 4 1 ： ( 1 ) 无刷：步进电机是无刷结构电机，与带有换向器和电刷等易损部件的 传统有刷电机相比而言可靠性更高； ( 2 ) 与负载无关：不超载时步进电机能够按照设定的速度运行； ( 3 ) 动态响应快：易于启动、停止和反转； ( 4 ) 保持转矩：停止时能够自锁； ( 5 ) 无累积误差：虽然步进电机每转动一步的角位移与标称的步距角具有 一定的误差( 3 5 ) ，但是转动一周后累积的误差和为零； ( 6 ) 步距角与环境无关：步迸电机的固有步距角是由本身构造决定的，与 温度、电压、电流等使用环境无关； ( 7 ) 易于控制：只需控制脉冲的频率和个数，即可达到定位、调速目的； ( 8 ) 价格低廉：步进电机相对于同样用于定位领域交、直流伺服电机而言 具有较高的性价比。 正是由于这些优点，使得由步进电机及其驱动控制器构成的开环数控定位 系统，既具有较高的控制精度，良好的控制性能，又能稳定可靠地工作。与同 样应用于定位领域的交、直流伺服电机构成闭环伺服系统相比较而言，主要优 势在于性价比高和驱动控制简单，但是性能上却具有以下明显的不足之 1 “ ： ( 1 ) 低速转动时振动和噪声都比较大； ( 2 ) 输出力矩随着转动速度的升高而降低； ( 3 ) 启动频率不能太高，否则会堵转并伴随有呼啸声； ( 4 ) 速度突变较大时存在丢步和过冲现象； ( 5 ) 最高运动速度较低，且高速运转时输出力矩小； ( 6 ) 开环控制，不能保证实际转动的角度与设想的完全一致。 虽然步进电机有这些缺点，但是并不影响其在经济型的数控装置上的使用。 现在比较常用的步进电机主要有反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步 进电机。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7 5 度或 1 5 度，振动和噪音小；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进 角一般为1 5 度，但噪声和振动都很大；混合式步进电机混合了永磁式和反应式 2 第一章绪论 的优点，步距角小、转矩大且振动、噪音小，它主要又分为两相和五相：两相 步距角一般为1 8 度而五相步距角一般为0 7 2 度。 第二节步进电机驱动概述 步进电机驱动技术的发展十分迅速。在我国步进电机的应用起步较早，但 驱动技术的发展相对滞后，成为制约步进电机应用与发展的主要因素。最早应 用的单电压串电阻等驱动方式，驱动电路中分立元件多，可靠性差，各厂家的 技术规范和生产工艺等难以达到统一的标准，已逐渐淘汰。 近代步进电机的驱动技术的主流是“电流型 ，常规的控制技术仅对绕组的 电流进行通断控制，在转子齿数一定的条件下，增加相数才能提高电动机的分 辨率。运用电流波形控制技术可方便地实现步进电动机细分驱动。步进电动机 的细分驱动技术，从2 0 世纪7 0 年代开始研究，逐步发展到9 0 年代完全成熟。 我国对细分驱动技术的研究，起步时间与国外相差无几。细分驱动技术的广泛 应用，使得电动机的相数不受步距角的限制，为产品设计带来方便。 目前在步进电机的驱动技术上，采用斩波恒流控制、正弦脉宽调制和细分 技术以及最佳升降频控制，大大提高步进电机运行快速性和运转精度，使步进 电机在中、小功率应用领域向高速且精密化的方向发展。在驱动电路中，目前 较普遍采用的功率开关管是功率场效应管( m o s f e t ) ，与早先采用的大功率晶体 管( c t r ) 相比有很多优点。性能更加优越的绝缘栅极晶体管( i g b t ) 也已应用于 高速型及较大功率的步进电机驱动电路中。而把i g b t 驱动电路及保护电路都集 成在一起的智能i g b t 模块，具有结构简单、性能稳定及运行可靠等优点，目前 已开始应用于中、小功率的步进电机的驱动。 细分驱动又称为微步距驱动。在步进电机的驱动控制领域中，常采用方波 脉冲控制来实现步进电机转子的运动。这种控制方式给步进电机的应用带来不 少弊病。因此，人们提出降低或减少脉冲工作的驱动控制方法，最初出现的阶 梯波脉冲细分控制，极大地改善了步进电机运行的平稳性，开始由于细分驱动 线路十分复杂，应用得不多。随着计算机技术和微电子技术的发展，步进电机 的细分驱动技术才引起了人们的关注。 步进电机各相绕组的电流是按照工作方式的节拍轮流通电的。绕组通电的 过程非常简单，即通电一断电反复进行。我们知道，电磁力的大小与绕组通电电 流的大小有关。当通电相的电流不是一次性上升到位，而断电相的电流也不是 立即下降为0 时，它们所产生的磁场合力，会使转子有一个新的平衡位置，这 3 第一章绪论 个新的平衡位置在原来的步距角范围内。就是说，如果绕组中电流的波形不再 是一个近似方波，而是一个分成n 个阶梯的近似阶梯波，则电流每上升或降低 一个阶梯时，转子转动一小步。当转子按照这样的规律转过n 小步时，实际上 相当于它转过一个步距角。细分驱动使得步距角更小了，可以大大提高对执行 机构的控制精度，同时也可以减小或消除振荡、噪声和转矩波动。目前，较为 先进的步进电机驱动控制器大多采用细分驱动方式巧1 1 6 1 。 第三节国内外研究概况及发展趋势 我国对步进电动机的研究从1 9 5 8 年开始，步进电动机在工业上应用并获得 发展始于1 9 7 0 年前后，1 9 8 0 年以后，永磁步进电动机因低成本爪极结构，广 泛应用于对性能要求不高和体积限制不大的场合，而混合式步进电动机成为办 公自动化和工业自动化应用场合的主流，迅速发展形成规模生产，变磁阻型就 大部分被混合型取而代之。发展到此时我国混合式步进电动机的技术，包括电 机本体和驱动技术在内，都与国外产业的水平接近。混合式步进电动机是在永 磁感应子式低速同步电动机的基础上发展起来的。二相混合式步进电机是上世 纪6 0 年代的美国专利，7 0 年代初因应用于计算机外设，且专利保护的取消而 迅速发展。二相( 四相) 电动机典型结构是定子八个极，转子齿数为5 0 ，整步方 式工作时步距角为1 8 度。7 0 年代中期提出的五相混合式步进电动机，与二相 电动机相比，结构上没有太大的区别，主要是增加了相数，定子一般为1 0 个极， 最典型的转子齿数仍为5 0 。早期的混合式步进电机，在材料上应用较多的是铝 镍钻永磁体，后来发展到新的永磁材料，主要是钦铁硼( n d f e b ) 材料的应用，简 化了转子的结构1 7 1 。 功率或机座号相对较大的步迸电动机，在工业控制系统中的应用日前正受 到交流伺服电动机的威胁，有被取代的趋势。这主要因为步进电动机存在一些 弱点如存在明显的振荡区、带惯量和过载能力小、快速性不足和效率低等。 对混合式步进电动机的控制绕组也可以使用双极性供电。为了简化驱动电 路，将电机绕组采取双线并绕，一相绕组分成二相，其中之一正向通电，另一 则反向通电，这样可单极性供电而达到正、反向励磁的目的。这种二相四绕组 电动机有时也叫做四相电动机。最简单的四相单极性驱动电路，只要用四只功 率开关管，结构简单，成本低，但是绕组空间利用率不高，在同一时间只有一 半绕组通电起作用。随着电子技术的发展，电子元器件价格的降低，双极性驱 4 第一章绪论 动电路也可以实现，但成本亦增加较多。 对步进电机及其控制驱动系统的研究表明，步进电机易于实现数字控制和 微机控制，并且进行开环控制就能实现精确的转速控制或定位控制。现代步进 电动机控制技术已发展到闭环控制方式，构成闭环失步检测系统等。但是在这 个研究方向上，技术上一直没有太大的突破，也还不成熟，还没有得到很广泛 的应用。这将是以后步进电机控制的发展趋势。而对于电机本体来讲，它的发 展将依赖于新材料的应用和驱动技术的最佳配合。 步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移( 或线位移) 的机电元 件，它不能直接接到普通的交直流电源上工作，必须使用专用设备步进电 机驱动控制器。步进电机系统是由步进电机及其驱动器两部分构成的，随着新 材料、电机设计与制造技术、电力电子技术、微电子技术、控制技术等的进步， 步进电机系统取得了巨大的发展，在开环高分辨率定位系统中占据了主导地位。 因此，步进电机的运行性能例如运行频率、输出力矩等，除受电机自身性能的 影响外，还直接受驱动控制器的制约。图1 2 表示常规开环步进电机驱动控制系 统的基本组成。该系统包括步进电机、脉冲发生器、脉冲分配器、功率放大器 以及直流功率电源等五个部分。步进电机伺服系统具有价格低、简单、可靠等 交直流伺服系统无法比拟的优点，但由于它的运行速度低、驱动器效率低和发热 量大等缺点，使它的使用范围受到限制。针对存在的问题，随着现代电力电子技 术、微电子技术的发展，为步进电机驱动器性能的提高提供了条件，出现了许多 步进电机驱动控制方式。 步进电机各相绕组之间，定、转子之间存在强耦合，电磁关系存在较严重 的非线性，但从驱动电路角度来看，对一台步进电机的控制，就是按一定顺序 向多相绕组通电，对各相电流的控制以产生必要的转矩的问题。因此，就步进 电机控制而言，各相通电顺序的产生和电流波形的控制是主要的问题，其次是 一些保护问题。步进电机的驱动控制技术经过多年的发展，已形成一些相对固 定的驱动方式。 第一章绪论 l ! j l _ l l 步进电机 图1 2 步进电机驱动控制系统的基本组成 驱动电路的集成化已成为一种趋势。目前，已有多种步进电机驱动集成电 路芯片，它们大多集驱动和保护于一体。国外已做成的小功率步进电机专用集 成电路驱动芯片，广泛应用于小型仪器仪表、计算机外围设备、机器人等领域。 作为步进电机的驱动元件，它使控制系统的体积减小，可靠性提高，特别是易 于与微处理器接口，对步进电机作细分驱动，使步进电机的分辨率大大提高， 动态运行性能显著改善，并易于实现步进电机的闭环控制。 采用电流控制技术以及细分驱动技术，准确有效地控制电机绕组电流，进 一步提高步进电机系统的运行性能和对控制要求的适应性，是步进电机驱动器 发展的主要趋势，同时，集成化、模块化、低成本也是步进电机驱动器发展的 必然趋势。集成化、模块化有利于提高驱动器的可靠性和电磁兼容性，减小驱 动器的体积，进一步扩大步进电机的应用领域。 第四节本课题的研究意义和目的 目前国内已有的步进电机驱动器，一般采用高低压驱动方式或者调频调压 驱动式，这些驱动电路仅可实现基本步距的运行，电路构成复杂，而且多由分 立元件组成，可靠性不高，还存在运行速度低、缺乏保护电路、驱动效率低和发 热损耗大等缺点。随着微电子技术的发展，出现了集成化的驱动电路，但由于 我国在电子材料与元器件、系统集成技术等基础工业水平和相关前沿领域与国 际水平差距较大，所以步进电机驱动芯片主要依靠进口。而且，现有的许多步 进电机驱动芯片，大多仅提供整步、半步控制选择，步迸电机的运行性能并没 有太大的提高。与这类驱动方式相比，细分驱动可使步进电机获得更小的步距 6 第一章绪论 角、更高的分辨率，且运行更加平稳，因此，细分驱动具有更佳的控制效果。 本课题的研究针对现在较为常用的两相混合式步进电机，旨在进行使步进电机 优化运行的控制驱动i c 的设计。 两相混合式步进电机是一种十分流行的步进电机，它既具有反应式步进电 机的高分辨率，每转步数比较多的特点；又具有永磁式步进电机的高效率，绕 组电感比较小的特点，应用十分广泛。基于此，本文设计了一款基于p w m 控制， 实现步进电机恒转矩细分驱动的i c 芯片。 本课题所设计的步进电动机驱动芯片应具备以下特点： ( 1 ) 具有较大范围内的输出电流； ( 2 ) 具有细分驱动方式； ( 3 ) 内部具有p w m 电流控制装置； ( 4 ) 具有过热保护等保护功能； ( 5 ) 使此电路达到可集成化的阶段。 第五节本课题研究的主要内容 本课题以二相混合式步进电机为控制和驱动对象，采用细分驱动和恒频脉 宽调制等先进技术，开发研制高性能的多细分的步进电机驱动器。目的是使混 合式步进电机的低频性能和高频性能能同时得到相应的改善。 本论文共分五个章节。第一章绪论叙述论文研究的背景、研究目的和意义， 介绍了国内外步进电机以及步进电机驱动的研究现状；第二章介绍了混合式步 进电机及其工作原理；第三章介绍p w m 控制技术；第四章介绍了步进电机驱动 系统，对几种步进电机驱动电路的性能进行了分类和性能比较；第五章是具体 电路的实现及仿真；第六章对整体电路进行仿真验证；第七章对全文进行了总 结。 7 第二章混合式步进电机及其工作原理 第二章混合式步进电机及其工作原理 第一节步进电机的分类和工作原理 目前步进电机的种类繁多，性能特点也各有差异，但按照基本构造和工作原 理可分为三种类型：反应式，即v r 型( v a u r i a b l er e l u c t a n c e ) ；永磁式( 亦称爪 极式) ，即p m ( p e r m a n e n tm a n e t ) ；混合式，即h b ( h y b r i d ) 7 引 9 1 。 反应式步进电机，其定转子均采用齿状结构，定子每个极上都绕有线圈， 转子则是由软铁材料制成的。其基本原理是绕组通电励磁之后会产生一个转矩 迫使转子转动到磁通路径磁阻最小的位置。为了更好的说明反应式步进电机的 工作原理，图2 1 展示了简化的三相反应式步进电机，其定子上有六个极，转子 勿垒腻 图2 1 三相反应式步进电机示意图 图2 2 四相反应式步进电机横截面示意图 8 第二章混台式步进电机及其 二作原理 只有四个小齿，步距角为3 0 。当绕组a - a 镭电时，为了保持其磁通路径磁阻 最小，将产生一个转矩迫使1 、3 与之对齐；接着若绕组a 川断电、绕组b b 钮电， 则转子将顺时针转动使得1 、3 与绕组b b 对齐保持磁通路径磁阻最小。实际上的 步进电机可通过增加定子极数或者转子的齿数来减少步距角例如图22 所示的 是四相反应式步进电机的横截面示意图，其定子上有八个极，每个极上分布有5 个小齿，转子有5 0 个小齿，步距角为18 。 如图23 所示，永磁式步进电机转子为n 极、s 极相间的永磁体，由于定子极 冲制成爪型因而又名爪极式步进电机。其基本工作原理是转子上的永磁体建立 的磁场和定子绕组电流激励的磁场相互作用，形成的同性相斥、异性相吸的电 磁转矩，当绕组励磁产生的合磁场发生旋转时转于也会跟着同步转动起来， 如图24 所示。 图23 承磁式步进电机结构示意图 永磁式步进电机的定子是由绕满漆包线的注塑骨架套在爪极板上构成的， 当绕组通电励磁后定子上爪极就会被磁化为n 极或者s 极，从而与转子的n 极和s 极相互作用形成电磁转矩。永磁式步进电机相对于反应式步进电机来说具有 控制功率小、振动和噪音小的优点，但是由于其定子极数和转子极数相同，且 转子永磁体要制成n 、s 密集相间的多对磁极比较困难，因而其步距角一般比较 大。 混合式步进电机定予、转了铁芯均为齿状结构同反应式步进电动机结构非 常相似，但是其转子带有永久磁钢具备永磁体的特性，所以混合式步进电动机 可看作v r 和p m 两种步进电动机的组合。图2 4 所示的混合式步进电机的详细 的结构示意题图。从图中可以看出混合式步进电机的定予是多个带有小齿且绕 第二章混合式步进电机及其工作原理 有线圈的极子构成的这个可以说和反应式步进电机是相同的，而转了则是由 左右两边带有小齿的铁芯以及中间的永久磁钢构成，左右两个铁芯一边呈现s 极另一呈现n 极且相互错开l ，2 个小齿齿距以便形成跟永磁式步进电机类似的 n 、s 相问磁极。混合式步进电机的基本工作原理和永磁式步进电机一样，是靠 定 转子 转子 睇2 团： 图2 5 五相混合式步进电机横截面示意图 第二章混合式步进电机及其工作原理 绕组通电之后激励的磁场与转予固有的磁场进行同性相斥、异性相吸的相互作 用，形成电磁转矩促使转子转动，当定子绕组激励的台磁场发生旋转时定子也 同步旋转。目前步进电机主要以定子8 极、转子5 0 齿的两相混合式步进电机和 定了1 0 极转子5 0 齿的五相混合步进电机为主，图25 和图2 6 为各自的横截面 示意图。 热 谢 a ) a 柑逼t 乜 ( b ) u 褶埘乜 ( c ，c 相遥电 网2 7 单三拍通电方式时转子的位置 第二章混合式步进电机及其工作原理 2 1 1 单三拍通电方式的基本原理 设a 相首先通电( b 、c 两相不通电) ，产生a a7 轴线方向的磁通，并通 过转子形成闭合回路。这时a 、a 极就成为电磁铁的n 、s 极。在磁场的作用 下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是要转到转子的齿对齐a 、a7 极 的位置( 图2 7 a ) ；接着b 相通电( a 、c 两相不通电) ，转子便顺时针方向转过 3 0 0 ，接着c 相通电( a 、b 两相不通电) ，转子便顺时针方向转过3 0 0 ，它的齿 和c 、c 极对齐( 图2 7 c ) 。不难理解，当脉冲信号一个一个发来时，如果按 a _ c b _ a 一的顺序通电，则电机转子便逆时针方向转动。这种通电方式称 为单三拍方式 2 1 。 2 1 2 六拍通电方式的基本原理 设a 相首先通电，转子齿与定子a 、a 对齐图2 8 ( a ) 。然后在a 相继续通 电的情况下接通b 相。这时定子b 、b 极对转子齿2 、4 产生磁拉力，使转子顺 时针方向转动，但是a 、a 极继续拉住齿l 、3 ，因此，转子转到两个磁拉力平 衡为止。这时转子的位置如图2 8 ( b ) 所示，即转子从图2 8 ( a ) 位置顺时针转过 了1 5 0 。接着a 相断电，b 相继续通电。这时转子齿2 、4 和定子b 、b 极对齐 图2 8 ( c ) ，转子从图2 8 ( b ) 的位置又转过了1 5 0 。其位置如图2 8 ( d ) 所示。 这样，如果按a - - - , a 、b _ b b 、c _ c _ c 、a a 的顺序轮流通电，则转子 便顺时针方向一步一步地转动，步距角1 5 0 。电流换接六次，磁场旋转一周，转 子前进了一个齿距角。如果按a _ a 、c _ c - c 、b _ b 一b 、a _ a 的顺序通 电，则电机转子逆时针方向转动，这种通电方式称为六拍方式。 2 1 3 双三拍通电方式的基本原理 如果每次都是两相通电，即按a 、b _ b 、c c 、a _ a 、b _ 的顺序通电， 则称为双三拍方式，从图2 8 ( b ) ，和图2 8 ( d ) 可见，步距角也是3 0 0 。因此， 采用单三拍和双三拍方式时转子走三步前进了一个齿距角，每走一步前进了三 分之一齿距角；采用六拍方式时，转子走六步前进了一个齿距角，每走一步前 进了六分之一齿距角。因此步距角e 可用下式计算2 1 3 1 0 - - 3 6 0 0 z r m 1 2 第二章混合式步进电机及其工作原理 式中z r 是转子齿数；m 是运行拍数。 一般步进电动机最常见的步距角是3 。或1 5 。由上式可知，转子上不只 4 个齿( 齿距角9 0 。) ，而有4 0 个齿( 齿距角为9 。) 。为了使转子齿与定子齿 对齐，两者的齿宽和齿距必须相等。因此，定子上除了6 个极以外，在每个极 面上还有5 个和转子齿一样的小齿。步进电动机的结构图如图2 9 所示。 ( a ) a 相通电；( b ) a 、b 相通电；( c ) b 相通电：( d ) b 、c 相通电 图2 8 六拍通电是转子位置 图2 9 三相反应式步进电机结构图 第二章混合式步进电机及其工作原理 第二节步进电机特点 由上述的工作原理可以知道步进电机工作时每相绕组不是恒定地通电，而是 通过“环形分配器按一定规律轮流通电。步进电机这种轮流通电的方式称为 “分配方式”。每循环一次所包含的通电状态数称为“状态数”或“拍数。状 态数等于相数的称为单拍分配方式，状态数等于相数的两倍的称为双拍制分配 方式。不管分配方式如何，每循环一次，控制脉冲u k 的个数总等于拍数n ，而 加在每相绕组上的脉冲电压( 或电流) 的个数却等于一，因而控制脉冲频率f 是每相脉冲电压( 或电流) 频率f 1 的n 倍。步进电机具有自锁能力。当控制电 脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时，则电机可以保 持在固定的位置上，即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上，这样， 步进电机可以实现停车时的转子定位。由于步进电机工作时的步数或转速度既 不受电压波动和负载变换的影响( 在负载允许范围内) ，也不受环境条件( 温度、 压力、冲击和振动等) 变化影响，只与控制脉冲同步，同时它又能按照控制的 要求，进行起动、停止、反转或改变转速。因此步进电机被广泛地应用于各种 数字控制系统中1 0 川1 川2 11 1 3 1 。 步进电机的一些比较重要的参数在附录中予以介绍。 1 4 第三章p w m 控制技术概述 第三章p w m 控制技术概述 p w m 控制技术在步进电机驱动芯片中的应用最为广泛，在大量应用的驱动 电路中，绝大部分都是p w m 控制。本章将简要介绍一下p w m 控制技术。 p w m 控制就是通过控制半导体开关器件的导通与关断时间比，来对脉冲宽 度进行调制的技术。也就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得 所需波形( 含形状和幅值) 。 p w m 控制电路的特点主要是：可以得到相当接近正弦波的输出电压和电 流，减少了谐波，功率因数高，动态响应快，电路结构简单。 第一节p w m 控制的基本原理 在采样控制理论中，有一个重要的冲量等效原理：大小、波形不同的窄脉 冲变量作用在具有惯性的环节上时，只要它们的冲量，( 变量) 对时间的积分相 等，其作用效果基本相同。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波 形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其在低频率段非常接近， 仅在高频段略有差异。例如图3 1 ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示三个窄脉冲形状不同，但 它们的面积( 冲量) 都等于1 ，当它们加在具有惯性的同一环节上时，其输出响 应基本相同。当窄脉冲变为图3 1 ( d ) 的单位脉冲函数6 ( t ) 时，环节的响应即 为该环节的脉冲过渡函数。此原理可以成为面积等效原理，它是p w m 控制技术 的重要理论基础 4 1 0 图3 1 形状不同而冲量相等的窄脉冲 用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，如图3 2 ( a ) 所示。把正 弦半波分成n 等份，就可以把正弦半波看成是由n 个彼此相连的脉冲序列所组 成的波形，这些脉冲宽度相等，都等于7 洲，但幅值不等，并且脉冲顶部不是水 平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同 样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分 面积( 冲量) 相等，就得到图3 2 ( b ) 所示的脉冲序列，这就是p w m 波形。可 1 5 第三章p w m 控制技术概述 以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。 根据面积等效原理，p w m 波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周， 也可以用同样的方法得到p w m 波形。像这种脉冲宽度按正弦规律变化，而且和 正弦波等效的p w m 波形，也称s p w m ( s i n u s o i d a lp w m ) 波形1 0 1 1 2 1 。 矿 n 。 图3 2 用p w m 波形代替正弦半波 要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲 的宽度即可。p w m 波形可分为等幅p w m 波和不等幅p w m 波2 种。不管是等 幅p w m 波，还是不等幅p w m 波，都是基于面积等效原理来进行控制，因此其 本质是相同的。由直流电源产生的p w m 波通常是等幅p w m 波。 第二节正弦波脉宽调制( s p w m ) 方式 正弦波脉宽调制( s p w m ) 的控制思想，是利用开关器件，由控制线路按一 定的规律控制开关器件的通断，从而在驱动电路输出端产生一组等幅不等宽的 脉冲序列。其脉宽基本上按正弦分布，以此脉冲列来等效正弦电压波形。 正弦波脉宽调制是采用正弦波与等腰三角波相交的方案，确定各分段矩形 脉冲的宽度。通常采用等腰三角形作为载波，因为等腰三角形上、下宽度与高 度成线性关系，且左、右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时， 1 6 第三章p w m 控制技术概述 在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的 脉冲，这正好符合p w m 控制的要求。当调制信号波为正弦波时，多得到的就是 s p w m 波形。根据调制脉冲的极性可分为单极性和双极性调制两种 3 2 1 单极性正弦脉宽调制 图3 3 为单向h 桥p w m 控制电路，负载为电感线圈，m o s f e t 作为开关 器件。对m o s f e t 的控制方法4 5 11 6 1 ( 1 ) 在正半周期，使t a 2 和t a 3 一直处于截止状态，而使t a l 一直保持导 通，t a 4 交替通断。当t a l 和t a 4 都导通时，负载上所加的电压为直流电源电压 v d c 。t a 4 关断时，由于电感中的电流不能突变，负载电流将通